Jak polapit nukleovou kyselinu?

Všechny živé organismy na planetě Zemi mají všechny svoje vlastnosti zakódované v biologické molekule, která byla pojmenována jako deoxyribonukleová kyselina. Ve skutečnosti plán výstavby organismu určují pouze čtyři chemické sloučeniny nazvané adenin, cytosin, thymin a guanin.Všechny živé organismy na planetě Zemi mají všechny svoje vlastnosti zakódované v biologické molekule, která byla pojmenována jako deoxyribonukleová kyselina. Ve skutečnosti plán výstavby organismu určují pouze čtyři chemické sloučeniny nazvané adenin, cytosin, thymin a guanin.

Rozpoznání úplné sekvence deoxyribonukleové kyseliny člověka na počátku 21. století rozpoutá na poli biotechnologií prudkou horečku po jednoduchých postupech, jak rozpoznat známý úsek DNA. Na otázku proč je celkem jednoduchá odpověď.

Chceme znát, zda jsme ohrožení vážnou chorobou nebo jsme náchylnější k infekci nebezpečným virem nebo bakterií. Aby se taková sci-fi mohla naplnit, musí věda učinit řadu kroků a krůčků, které začínají objevem nukleových kyselin.

Těm na počátku nikdo nevěří a nepřikládá jim prakticky žádnou biologickou důležitost.

Jak to bylo s jejich objevem?Molekula deoxyribonukleové kyseliny je popsána v roce 1869, kdy se švýcarskému lékaři Miescherovi podaří izolovat DNA z bílých krvinek, obsažených v hnisu. Bohužel se mu nedaří získat dostatečně čistý vzorek na to, aby DNA mohla být dále zkoumána.

Význam molekuly DNA objasnil pokus na bakteriíchVe dvacátých letech pak britský genetik Frederick Griffith dokazuje, že je možné pneumokoky jednoho typu přeměnit v typ jiný, pokud jsou vystaveny působení zahřátého buněčného extraktu tohoto jiného typu a že tato změna je trvalá a dědičná.

Griffith má k dispozici dva kmeny pneumokoků. Jeden typ s vnějším pouzdrem (při kultivaci buňky rostly jako drsné kolonie) nebo bez pouzdra (kolonie byly hladké). Kmen pneumokoka s hladkými koloniemi je velmi viruletní (způsobí onemocnění).

Naočkované myši velmi rychle umírají na infekci. Zajímavé je, že kmeny, tvořící drsné kolonie, myším smrt nezpůsobí. Při experimentu s injikovaným pneumokokem z drsných kolonií a teplem usmrcených buněk z hladkého pneumokoka zjišťuje, že myši také rychle uhynou.

Co navíc, je možné izolovat z těchto myší pneumokoky, tvořící hladké kolonie. Na tomto pokusu postaví další experimentální práci tři vědci z Rockefellerova ústavu v USA – Avery, McLeod a McCarthy. Ti o 15 let později zkoumají, co zapříčinilo takovou změnu.

Podaří se jim dokázat, že za touto změnou stojí molekula DNA a nikoliv bílkoviny, jak se obecně soudilo. Tím je role DNA v mechanismu dědičnosti prokázána.

Nalezení struktury DNAObjevit charakteristickou strukturu DNA se podaří až v roce 1953 dvěma vědcům z Cambridge (Jamesi Watsonovi a Francisi Crickovi). Pro odhalení struktury DNA využívají rentgenovou strukturní analýzu.

Model DNA sestavují 28. března 1953. V roce 1962 obdrží společně Nobelovu cenu za fyziologii a lékařství.

Kolik druhů je nukleových kyselin?Věda na počátku 21.století posunuje znalosti o biologických informačních molekulách a nyní je již velmi obtížné určovat, která z nich je významnější. Ve všech živých organismech nalezneme dva druhy nukleových kyselin, a to deoxyribonukleovou kyselinu (DNA) a kyselinu ribonukleovou (RNA).

Na základě rozborů nukleových kyselin se zjistí, že obsahují 15 % dusíku a 9–10 % fosforu. Velmi významnou vlastností nukleových kyselin je také schopnost srážení v přítomnosti alkoholu. Chemicky je rozdíl pouze v záměně jedné funkční skupiny na molekule cukru.

Se strukturou to není tak jednoznačnéWatson a Crick popíší, že molekula DNA v živých organismech vytváří dvojšroubovici. Nyní víme, že molekuly DNA jsou sice většinou dvojšroubovice, ale u některých virů se objevují i jako jednovláknové molekuly.

Molekuly RNA jsou většinou jednořetězcové, ale u virů mohou být také dvouřetězcové.

Kde jsou uloženy a jaký mají význam?Nukleové kyseliny jsou uloženy v buňkách. S uložením molekuly DNA to není tak jednoduché a řetízky (vlákna) se splétají a vytvářejí dvojitou šroubovici. Zaplétání pokračuje, až za spoluúčasti řady proteinů vznikne útvar, kterému říkáme chromozom.

Molekuly DNA u bakterií jsou uloženy přímo v cytoplazmě buněk a nemají kolem sebe žádnou další ochrannou vrstvu vytvořenou z biologické membrány. U virů je nukleová kyselina velmi často dobře chráněna útvary, kterým se říká kapsidy.

Smysl je naprosto zřejmý – uchránit nukleovou kyselinu před vnějším vlivem do doby, než se bude moci množit. U buněk vyšších organismů je molekula DNA uložena v buněčném jádře. Sama struktura buněčného jádra je velmi složitá, a jak se ukazuje z posledních výzkumů, není tak stálá a pevná, jak jsme si doposud mysleli.

Zkuste se podívat na nukleovou kyselinuChcete se podívat, jak vypadá nukleová kyselina? Udělejte si jednoduchý pokus. V řeznictví si kupte kousek prasečí nebo hovězí sleziny. Tu pečlivě rozkrájejte a dejte do pevné misky.

Pomocí vařečky roztírejte v roztoku soli (10%, tj. 10g/100 ml vody). Předejte (??) přibližně desetinásobek množství sleziny. Opatrně se pokuste oddělit kapalinu od zbylých částí sleziny. Ke kapalině postupně přidávejte ledovou tříšť.

Nyní vezmete obyčejnou špejli a budete jí krouživě pohybovat v roztoku. Během chvíle se na špejli začnou namotávat bílá vlákna molekuly DNA.

Magnetické částice pro snadnější zachyceníPro zachycení velmi malého množství DNA by nám však špejle nestačila. Proto jsou hledány důmyslnější způsoby, jak to udělat. Jedna z technologií je založena na magnetických částicích.

Magnetické částice mají velikosti 5 nm–100 µm a jsou z kovového jádra (železa nebo i zlata). Na povrch takové částice je možné chemicky upevnit další molekuly, které nám usnadní zachycení námi hledané nukleové kyseliny.

Výsledek je pak zaručený, zachytíte hledanou nukleovou kyselinu.

Jak probíhá taková izolace? Magnetické částice se přidají ke vzorku, kde na sebe navážou námi hledané molekuly. Třeba tak můžeme hledat přítomnost viru ptačí chřipky nebo HIV. Následně se magnetické částice s navázanou molekulou nukleové kyselinou přitáhnou magnetem ke stěně zkumavky a zbylý roztok s nenavázanými a dalšími látkami se snadno odstraní.

Následuje pečlivé promývání a konečné uvolnění magnetických částic i s navázanými molekulami do námi přidaného roztoku. Dalším krokem je oddělení zachycené nukleové kyseliny od magnetické částice (to je možné zahřáním na vyšší teplotu).

Zachycené molekuly na povrchu magnetické částice se uvolní a je nyní je již snadné je identifikovat.

Jaké to má výhody?Výhody magnetických částic jsou velké. Vlastní vzorek (tkáň, krev) se nemusí složitě upravovat (odstřeďováním, dialýzou apod.), jak je tomu u běžných metod zachycení nukleové kyseliny.

Vynecháním těchto kroků se podstatně zkracuje čas získání cílených biomolekul a navíc se zmenší riziko jejich případného fyzikálního nebo biologického poškození. Získání času může být pak rozhodující například při biologickém teroristickém útoku.

Široké spektrum využitíAnalýza DNA představuje revoluci v biologii. Umožnila zkoumání a porovnávání živočišných a rostlinných druhů. Pomocníkem je v určení biologického otcovství. Policie se bez metod molekulární biologie již neobejde.

V oblasti hledání genetických chorob je pak analýza DNA zcela nezbytná a určující. Dnes se jde ještě dál a cílem je předpovídat riziko vzniku nemoci. Významně se rozvíjí například nové technologie, zvané DNA čipy a čtení genomů.

Více se dozvíte:Rosypal S. a kol: Úvod do molekulární biologie, tisk Grafex 2002.Klouda P.: Základy biochemie, Vydavatelství Pavel Klouda, 2000.Klouda P.: Moderní analytické metody, Vydavatelství Pavel Klouda, 2003Huska D. a kol: Využití paramagnetických částic pro izolaci mRNA, CHEMagazín, 18, č.

3, 14–15 (2008)Kizek R.: Jak rychle rozpoznat nádor, 21. století, č. 1, 93–95 (2006).Kizek R., Adam V., Huska D.: Jak se čte genom, rádio Leonardo (4. 5. 2007, redaktor Hana Staňková) http://media.rozhlas.cz/_audio/00540594.

mp3 Jak se izoluje nukleová kyselina?Běžný postup izolace nukleových kyselin je následující. Vzorek tkáně, pletiva (musí obsahovat nukleovou kyselinu) je nejdříve dokonale rozetřen v přítomnosti běžných vodných roztoků solí.

Takto připravený vzorek je zbaven zbylých velkých částí odstředěním na centrifuze. Vzniklá horní část je odebrána a jsou k ní přidány chemikálie odstraňující proteiny. Po proběhlé reakci je získán průhledný roztok obsahující pouze čistou nukleovou kyselinu.

Nyní je potřebné tuto nukleovou kyselinu převést do pevného skupenství. To se podaří přidáním vychlazeného ethanolu. Po několika minutách se objevují bílá vlákna nukleové kyseliny. Po dalším odstřední je na dně zkumavky izolovaná nukleová kyselina.

Co je to genom?Genom je veškerá genetická informace uložená v DNA (u některých virů v RNA) konkrétního organismu. Zahrnuje všechny geny a nekódující sekvence.Přesněji řečeno, genom organismu je kompletní sekvence DNA jedné sady chromozómů.

V čem se odstřeďuje?Odstředivka (centrifuga) je zařízení, které umožňuje díky působení odstředivé síly oddělit látky těžší od lehčích. Vzorky se umístí do speciálního většinou titanového talíře (rotoru).

Moderní centrifugy jsou plně automatické s nastavitelnou intenzitou otáček a teploty.

Pomáhá i elektřinaNukleovou kyselinu můžeme pozorovat také pomocí změny jejich elektrických vlastností. Tato fyzikální metoda, rozvinutá právě českou elektrochemickou školou, přináší zatím netušené možnosti i v oblasti sledování vazby různých látek (léčiv) na molekulu DNA.

Autor: Dalibor Húska, Vojtěch Adam, René Kizek, Ústav chemie a biochemie Mendelovy lesnické a zemědělské univerzity v Brně
Rubriky:  Genetika
Publikováno:
Další články autora
Právě v prodeji
Tip redakce
reklama

Související články

Silně ohroženým rybákům se na pokusných ostrovech na Lipně zalíbilo

Silně ohroženým rybákům se na...

Sedm hnízd a čtrnáct malých ptáčat rybáka obecného napočítali jihočeští...
Dávné vymírání měla možná na svědomí supernova

Dávné vymírání měla možná na...

Vědci již dlouhou řádku let zkoumají, jak by supernovy mohly ovlivnit...
Na počtu terapií se rok pandemie výrazně nepodepsal

Na počtu terapií se rok pandemie...

Na pražské klinice asistované reprodukce IVF CUBE v nejbližších dnech...
Zvířecí „lékaři“ odhalí nemoci dříve než laboratorní testy

Zvířecí „lékaři“ odhalí nemoci...

Nevábně zavánějící trus by dobrovolně nikdo neočichával. Speciálně vycvičené fretky...
Australské ekosystémy v ohrožení

Australské ekosystémy v ohrožení

Ekosystém se pomalu ale jistě hroutí na celé planetě, oteplování a nadměrné...
Klimatické extrémy mohou zvyšovat agresivitu pavouků

Klimatické extrémy mohou zvyšovat...

Vysoké teploty spojené s bouřemi někomu přinášejí radost, jinému zas utrpení....
V liberecké zoo jsou prvně k vidění kriticky ohrožení gekoni modří

V liberecké zoo jsou prvně k vidění...

Zoo Liberec začala s chovem vzácných gekonů modrých. Dvojice těchto...
24 000 let staré organismy nalezené zmrzlé na Sibiři se mohou stále rozmnožovat

24 000 let staré organismy nalezené...

Říkají mu „evoluční skandál“. Miliony let k reprodukci...
Liberecký orlosup vypuštěn ve Španělsku

Liberecký orlosup vypuštěn ve...

V sobotu 5. června 2021 bylo slavnostně vypuštěno mládě orlosupa...
V liberecké zoo mají mladé

V liberecké zoo mají mladé

V období jara přichází mláďata na svět jak ve volné přírodě, tak zpravidla i...

Nenechte si ujít další zajímavé články

Tragédie při oslavách revoluce: Pomohl diktátor manželce do hrobu?

Tragédie při oslavách revoluce:...

Dne 9. listopadu 1932 dochází během oslav 15. výročí Říjnové revoluce k tragédii. Sovětský vůdce Josif Vissarioniovič...
Mezihvězdná komunikace: Pozemšťané volají vesmír!

Mezihvězdná komunikace: Pozemšťané...

Za necelé tři miliony let své existence člověk dokázal urazit slušný kus...
Proč „zanikne“ podmokelský poklad?

Proč „zanikne“ podmokelský poklad?

Píše se rok 1771 a české země sužují vytrvalé deště. Krajinami se...
Pěšky kolem světa za 13 let!

Pěšky kolem světa za 13 let!

Letadlem je možné obletět planetu zhruba za 2,5 dne. Autem by se to...
Nejzvláštnější historické zbraně: Drápy

Nejzvláštnější historické zbraně:...

Mezi historickými nejznámějšími zbraněmi si asi nejčastěji...
Záchrana divokých koní Převalského

Záchrana divokých koní Převalského

Říká se, že není hezčího pohledu na svět než ze hřbetu koně. Nikdo ještě...
Pochod navzdory mrazu: Sebevražedné rozhodnutí přežil jediný voják

Pochod navzdory mrazu: Sebevražedné...

Na konci první anglo-afghánské války (1839 – 1842) mezi Brity a Rusy o politický vliv na afghánské...
Andělská hora: Působí zde dva druhy energií?

Andělská hora: Působí zde dva...

Andělská hora na Karlovarsku je výjimečná z několika důvodů: kvůli...
Jak pomoci ochrnutým opět chodit?

Jak pomoci ochrnutým opět chodit?

Strach. Bezmoc. Ale i naděje. Pro ochrnuté pacienty je možnost opět...
Poznejte své IQ

Poznejte své IQ

V našem profesionálně sestaveném testu ihned zjistíte přesné výsledky a obdržíte certifikát.